Pour égayer cette fin d’année, la Société Française d’Ecologie (SFE) vous propose le regard d’Alain Thiéry et Cécile Breton, respectivement Professeur des Universités et journaliste, sur le système d’adhésion du gecko des murs.

Ce « regard » est une version un peu modifiée et adaptée pour cette plateforme d’un article des mêmes auteurs paru dans le n°9 d’ESpèces, revue partenaire de la SFE pour ce projet.

MERCI DE PARTICIPER à ces regards et débats sur la biodiversité en postant vos commentaires et questions sur les forums de discussion qui suivent les articles; les auteurs vous répondront.
 

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Liaisons faibles et adhésion forte – Le secret du gecko

par Alain Thiéry(1) et Cécile Breton (2)

Article repris du n°9 d’ESpèces et adapté pour cette plateforme par Anne Teyssèdre
 
(1) Professeur des universités, membre de l’IMBE, UMR-CNRS 7263, Aix-Marseille Université
(2) Rédactrice en chef d’ESpèces

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Mots clés : espèces, animaux, comportement, adaptation, évolution, mécanismes, biophysique,
relation Homme-Nature, biomimétique.

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Au IVe siècle avant J.-C., Aristote avait observé que certains lézards de la famille des geckos pouvaient monter et descendre le long d’un arbre, y compris la tête en bas. De la fascination pour cette capacité à adhérer à des surfaces plus ou moins lisses est même né un super-héros, Spiderman, qui, sautant de tour en tour en propulsant des fils, peut également monter sur des murs lisses et même des vitres. Avec des ventouses, pensez-vous? Ce n’est en tout cas pas le cas des geckos, ni d’autres animaux «adhésifs» plus récemment étudiés.

Le système d’adhésion du gecko

Vue de dessous d’un gecko marchant sur une vitre (photo A. Thiéry / B. Martin-Garin).

Vue de dessous d’un gecko marchant sur une vitre
(photo A. Thiéry / B. Martin-Garin).

Le gecko des murs ou tarente, Tarentola mauritanica (L., 1758), est un petit reptile insectivore de la famille des Gekkonidae très commun dans le bassin Méditerranéen. Outre le fait de pousser des petits cris la nuit et de déposer des crottes typiques portant un dépôt blanc d’acide urique concentré (cristaux d’acide urique résultant de la réabsorption d’eau par son système rénal, une adaptation aux environnements arides), l’animal se déplace avec agilité sur les parois tant verticales qu’horizontales, la tête en bas. Il possède sous chacun de ses doigts spatulés, non pas des ventouses, mais des lamelles adhésives. [Cette structure existe chez d’autres espèces de Gekkonidae, telle Gecko gecko (L., 1758).]

Si l’on observe une de ces pattes en changeant progressivement d’échelle depuis l’angle macroscopique jusqu’au niveau microscopique (voire nanométrique), nous constatons d’abord que chaque doigt, terminé par une griffe, porte une dizaine de bandes parallèles.
 
 

Ce coussinet digital est constitué d’une série de lamelles sèches (nommées scansors), couvertes de fibres souples dites sétules (ou soies), à une densité de 14 400 par millimètre carré (mm2). Composés de kératine associée à des beta-protéines, ces sétules mesurent environ 110 µm de longueur pour 4,2 µm de largeur. Ils se ramifient eux-mêmes en centaines de branches, chacune se terminant par une mince spatule, d’environ 0,2 µm de longueur pour autant de largeur.

Schéma de la position des structures adhérentes d’un doigt de gecko sur le substrat et position des contacts de ce doigt sur une surface (d’après K. Autumn et alii 2006 et Y. Tian et alii, 2013).

Schéma de la position des structures adhérentes d’un doigt de gecko sur le substrat et position des contacts de ce doigt sur une surface (d’après K. Autumn et alii 2006 et Y. Tian et alii, 2013).

Détail des soies spatulées à leur extrémité en microscopie électronique à balayage (photo A. Thiéry).

Détail des soies spatulées à leur extrémité en microscopie électronique à balayage (photo A. Thiéry).

Microspatules et forces de van der Waals

Depuis le début des années 2000, les chercheurs de plusieurs universités - Cambridge, Bologne (Italie), Calgary (Canada), Tsinghua (Chine), Akron, Stanford, Massachusetts Institute of Technology et Berkeley (USA), etc. – ont publié près d’une trentaine de travaux sur l’“adhésion gecko”.

Schéma d'atomes attirés par des forces de van der Waals

Schéma de l’attraction électrique entre deux atomes
(forces de van der Waals)

Comme l’ont montré K. Autumn et A. M. Peattie, ce sont les forces de van der Waals – forces électriques de faible intensité (de l’ordre de 10 nN, soit 0,01 µN) et de très courte portée – aux sites de contact entre l’extrémité des soies et le substrat, qui rendent cette adhésion possible.

L’accumulation des soies sur une surface réduite permet la production d’une force d’attraction importante. Cependant, le problème des forces de van der Waals est qu’elles ne fonctionnent qu’à très petite distance, environ un nanomètre ! Et c’est manifestement le rôle des microscopiques spatules du gecko que d’aller épouser de si près la surface pour que ces forces puissent agir et créer ce type d’adhésion, qualifiée d’adhésion sèche.

Les études de cinématique montrent que les geckos attachent et détachent leurs doigts en quelques millisecondes, un exploit qu’aucun adhésif classique ne peut égaler. En outre, à l’inverse des autres adhésifs, les doigts des geckos ne se dégradent pas et ne se salissent pas.

Chaque sétule, composé d’un millier de spatules, résiste à une force de 200 µN (micronewtons). Des calculs de mécanique théorique, basés sur le potentiel d’interaction entre ces deux plans et la force surfacique d’attraction qui en découle, ont permis de calculer la surface de contact nécessaire entre le plafond et le gecko pour que celui-ci y reste “collé”. À l’équilibre et en appliquant la première loi de Newton, pour un gecko d’une masse de 10 g, on trouve une surface de contact de l’ordre de 5.10‑4 mm2, ce qui est extrêmement petit.

Hémidactyle verruqueux (Hemidactylus turcicus), île de Port-Cros, Var (cliché M. Delaugerre).

Hémidactyle verruqueux (Hemidactylus turcicus), île de Port-Cros, Var (cliché M. Delaugerre).

[ En rapportant cette surface à celle des spatules (4. 10‑8 mm2), on en déduit que l’adhésion simultanée de 12 000 spatules suffit pour contrebalancer à chaque instant le poids d’un gecko de 10 g marchant au plafond. Un bien petit nombre, relativement aux millions de spatules présentes sous ses doigts!
(Note de l’éditrice) ]

Si l’on se base sur la surface de chaque sétule, on en déduit que la surface réelle de contact entre un sétule et le plafond est de 10-6 mm2. Il suffirait donc, en théorie, de huit spatules sur les milliers que compte chaque sétule pour assurer l’adhésion de 10 mg de “bête”. Avec ses 14 400 sétules par millimètre carré et par patte, dotés chacun de milliers de spatules, les chercheurs ont vérifié que le petit gecko suspendu au plafond peut soutenir tout en marchant une force de 288 N, ce qui correspond – sur Terre – à trois fois son poids.
 

Pour souligner ce caractère idéal, les ingénieurs ont montré qu’une surface de contact idéalement plane (ce qui est rarement le cas) de 4 mm2 devrait suffire en théorie pour soutenir un homme de 80 kg.

Un système partagé

Vue frontale d'une araignée sauteuse Evarcha arcuata  (© L. Jonaitis/Wikipedia commons)

Vue frontale d’une araignée sauteuse Evarcha arcuata
(© L. Jonaitis/Wikipedia commons)

Nous retrouvons ce système d’adhésion temporaire chez des arthropodes, phylum pourtant très éloigné des vertébrés. Chez Evarcha arcuata (Clerck, 1758) par exemple, petites araignées sauteuses de la famille des Salticidae. Comme les geckos, ces araignées sont capables de se mouvoir sur des surfaces lisses et de se tenir tête en bas sans tomber, pouvant même suspendre jusqu’à 173 fois leur poids.

Selon les travaux d’A. Martin et A. B. Kesel, biomécaniciens de l’institut de zoologie, techniques biologiques et de bionique de Saarland (Allemagne), qui ont examiné sous microscope électronique à balayage les pattes de cette petite araignée sauteuse, chacune des faces ventrales des tarses est recouverte d’une multitude de petites soies (environ 78 000 par patte) d’un diamètre de l’ordre du micromètre. Pour d’autres espèces de la même famille, on en compte plusieurs centaines de milliers, voire un million par patte.

Ces soies minuscules composées de chitine (polymère de N-acétyl glucosamine), constituant habituel des téguments et soies des arthropodes, assurent l’adhérence de l’animal sur les surfaces les plus lisses.

Clytus arietis (© Siga/Wikipedia commons )

Clytus arietis (© Siga/Wikipedia commons )

Ce mécanisme d’adhésion sèche, assuré par des bouquets de soies chitineuses, a également été étudié en 2006 par Federle sur Clytus arietis (L., 1758), le clyte bélier. Cet insecte xylophage, coléoptère de la famille des Longicornes, est surnommé en France “fausse guêpe” en référence à sa livrée rayée de jaune et noir (mimétisme batésien*).

Le fait de retrouver ce système d’adhésion sèche chez deux phylums très éloignés, vertébrés et arthropodes, pose la question de l’origine de cette structure. S’agit-il d’une convergence évolutive*, ou de séquences d’ADN conservées depuis un même ancêtre commun ? (1)

Orientation des soies deC. arietis selon l’attachement et le détachement (d'après  Federle, 2006).

Orientation des soies de Clytus arietis selon l’attachement et le détachement (d’après Federle, 2006).

(1) Les auteurs ont voulu laisser ouverte cette question. Cependant, l’hypothèse de l’évolution indépendante et convergente de systèmes d’adhésion sèche similaires au bout des pattes d’animaux terrestres très éloignés au plan systématique (phylogénétique), utilisés pour se hisser (hors de l’eau) le long de parois verticales telles que tiges et rochers, semble a priori s’imposer – car Les derniers ancêtres communs des geckos et arthropodes terrestres « adhésifs » étaient des animaux (bilatériens) primitifs sans pattes ni squelette, qui vivaient en mer il y a plus de 600 millions d’années! Cette question est abordée dans le forum de discussion (note de l’éditrice).
 

Un adhésif inspiré par le gecko

L’observation de ce système d’adhésion sèche a donné aux biophysiciens l’idée de créer des adhésifs inusables sans recours à la colle – qui sèche et se salit –, mais avec de très fines et nombreuses microlamelles. On pourrait imaginer des Post-It® réutilisables à l’infini. Plusieurs groupes industriels dans le monde ont déjà créé de tels matériaux, comme à l’université de Kiel ou encore au Gecko Lab de Kellar Autumn, l’un des chercheurs qui a le plus travaillé sur le sujet, comme en témoignent ses nombreuses publications.

Les chercheurs de BAE Systems, utilisant une technique photolithographique (gravure de motifs en trois dimensions à l’aide de la lumière), ont synthétisé des films à base de polyimide*. Ces tiges de polyimide présentent des extrémités évasées – ressemblant fortement aux têtes en spatule des poils des geckos –, atteignant 100 nm de diamètre et collant à presque toutes les surfaces, même si elles sont sales.

Malgré ses bonnes performances (un mètre carré de ce film devrait suffire à coller un éléphant au plafond), ce matériau n’égale pas encore les pattes du gecko. En effet, le lézard pouvant s’attacher et se détacher d’une surface plus de quinze fois par seconde, la façon dont il contrôle son adhésion reste encore à comprendre pour pouvoir la reproduire. Parmi les applications envisagées, on note des pièces de réparation pour des structures perforées (par exemple des réservoirs de carburant ou des revêtements d’avions), des panneaux d’accès sans attache ou même la fixation rapide de panneaux de blindage.

Des chercheurs de l’université d’Akron (Ohio, USA) fabriquent des adhésifs “gecko-inspirés” autonettoyants, composés de nanoparticules de carbone de 200-500 µm de long, synthétisés à 750 °C à base d’éthylène et d’hydrogène. L’idée de créer des gants adhérant aux surfaces lisses a également germé et des chercheurs américains de l’UMass Amherst ont créé des “gants geckos” (Geckskin’s adhesive pads) à base de polydiméthylsiloxane. Il s’agit de sortes de peaux adhésives sèches, robustes, bon marché et résistantes dans le temps. Selon les calculs, de tels gants seraient capables de permettre à un homme de 80 kg de se hisser sur une surface vitrée sans risque de chute. Des prototypes sont à l’essai à l’université Cornell, tels ces gants utilisés dans le film Mission Impossible 4. Petit clin d’œil : ces gants sont serrés au niveau du poignet par des Velcro®, structure également issue de la bionique, mais c’est une autre histoire…

Des robots et des pansements

Un ingénieur mécanicien, Mark Cutkosky (Nova), a créé un “robot gecko” qui, grâce à des pads en élastomère, grimpe sur les vitrages. Des essais de petits robots (4 cm de long) comme le MechoGecko et le BullGecko conçus par iRobot Corporation®, capables de monter sur différentes surfaces, sont actuellement testés par K. Autumn et ses collaborateurs.

Mais l’une des applications les plus récentes et les plus prometteuses développée par A. Mahdavi et ses collaborateurs en 2008 puis M. F. Yanik en 2009 est la création, à base d’élastomères, de “pansements geckos”, autoadhésifs et biodégradables dont la surface de contact avec la plaie est couverte d’une multitude de micro-piliers synthétiques (1 à 2 µm de hauteur) qui, par l’effet des forces de van der Waals, se collent et se décollent facilement. Des essais sont en cours pour tester leurs propriétés mécaniques, leur adhésion en conditions humides, avec les forces capillaires*, mais aussi leur possibilité de diffuser des drogues, des facteurs de croissance ou des antibiotiques, tout ceci en minimisant le risque de réponses immunitaires et inflammatoires.
 


Encadré : Une île corse résiste toujours aux tarentes

par Michel Delaugerre, Conservatoire du littoral

Deux espèces de geckos vivent sur l’île de la Giraglia, à l’extrémité nord du Cap Corse : le Phyllodactyle d’Europe (Euleptes europaea) sans doute ici depuis quelques milliers d’années, lorsque l’élévation du niveau marin a fait de ce sommet de colline une île, et la Tarente (ou Gecko des murs, Tarentola mauritanica), probablement arrivée il y a quelques dizaines d’années. Contre toute attente, la dernière venue ne parvient pas à coloniser cette petite île de dix hectares.

La Tarente reste strictement cantonnée à deux murs de ciment, alors que l’espèce native occupe toutes les surfaces rocheuses. Une étude pluridisciplinaire en cours révèle que le substrat rocheux est en cause. La prasinite, roche métamorphique verte, tendre et dont la surface est couverte d’une poudre fine comme du talc, constitue un obstacle physique bloquant l’expansion de la tarente. Des expériences réalisées in situ montrent que cette dernière est incapable d’adhérer à ces parois poudreuses, horizontales ou verticales. Ce “talc” est-il pourvu d’une nanostructure particulière empêchant les forces de van der Walls de s’exercer ou mettant en échec les dispositifs autonettoyants des soies digitales ? Pour quelles raisons ces deux geckos ne sont-ils pas égaux face aux mêmes contraintes de substrat ? Ces questions intéressent vivement la communauté des chercheurs en “gecko-adhésion”. Par delà cette interrogation, cet exemple met en évidence un facteur insoupçonné d’empêchement de la colonisation d’une île par une espèce a priori bien adaptée aux habitats locaux.



Glossaire

Convergence évolutive : Evolution de structures, comportements ou autres adaptations semblables (dites analogues) chez des espèces peu apparentées, confrontées à des pressions de sélection similaires (c-à-d. un même type d’environnement).
[S’oppose aux similitudes de structures, organes et comportements hérités d’un ancêtre commun, dites homologies.]

Forces capillaires : forces de tension superficielle résultant d’interactions qui se produisent aux interfaces entre deux phases en présence : entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l’air ou entre un liquide et une surface solide.

Mimétisme batésien : Sous l’effet de la sélection naturelle, une espèce inoffensive adopte l’apparence physique (motifs, couleurs, etc.) d’espèces nocives. Cela augmente ses chances d’échapper aux prédateurs qui ont appris à éviter les espèces « modèles » nocives.

Polyimide : polymères colorés (souvent ambrés) qui comportent des groupes imides dans leur chaîne principale. Du fait de leur très grande résistance mécanique, chimique et thermique, ils remplacent souvent le verre et des métaux comme l’acier dans des applications industrielles très exigeantes.


 

Bibliographie

Autumn K. & Peattie A. M., 2002 – Mechanisms of adhesion in geckos. Integrative and Comparative Biology, 42, p. 1081-1090.

Fearing R., Israelachvili J. & Full R. J., 2002 – Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 99, p. 12252-12256.

Geim A. K. et al., 2003 – Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nature Materials, 2, p. 461-463.

Kesel A. B., Martin A. & Seidl T., 2003 – Adhesion measurements on the attachement devices of the jumping spider Evarcha arcuata. The Journal of Experimental Biology, 206, p. 2733-2738.

Mahdavi A. et al., 2008 – A biodegradable and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(7), p. 2307-2312.

Sun W., Neuzil P., Kustandi T. S., Oh S. & Samper V. D., 2005 – The nature of the gecko lizard adhesive force. Biophysical Journal, 89(2), L14-L17.

Yanik M. F., 2009 – Towards gecko-feet-inspired bandages. Trends in Biotechnology, 27(1), p. 1-2.
 

Pour en savoir plus:
Vidéo du robot “gecko climber” sur You Tube.


 
Article repris d’ESpèces n°9 et adapté pour cette plateforme par Anne Teyssèdre.

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Forum de discussion sur ce regard